光纤通信基础

石剑虹上海交通大学物理系

课程介绍

学时： 18 周 ×2 学时 = 36 学时学分： 2时间：每周二上午地点：主讲教师：石剑虹Email ： purewater@sjtu.edu.cn电话： 54748914(O)

课程教材及参考书

课程内容

第一章 光纤通信概述第二章 光纤第三章 光发送第四章 光检测第五章 无源光器件

课程内容

第六章 传输与中继第七章 光端机第八章 数字光纤通信系统第九章 波分复用技术第十章 光通信技术的发展

第一章 光纤通信概述

1-1 光纤通信的发展史和现状 1-2 光纤通信系统的组成

1-3 光纤通信的特点

上帝说：要有光于是有了光。

1-1 1-1 光纤通信的发展史光纤通信的发展史

光通信（光波是一种电磁波）利用光波作为载频的 通信方式称为光通信。

光纤通信：利用光导纤维（光纤）传播光波信号的通信方式。它工作在可见光或近红外区域，波长 0.8~1.8μm, 对应频率 167~375THz

1-1 1-1 光纤通信的发展史光纤通信的发展史

通信发展的三个阶段： (1) 以 1838 年莫尔斯发明电报为标志

的通信初级阶段 (2)1948 年香农提出的信息论开始的

近代通信阶段 (3) 以 20 世纪 80 年代出现的光纤通

信系统为代表和以综合业务数字网为标志的现代通信阶段。

1-1 1-1 光纤通信的发展史光纤通信的发展史

1.1.1 探索时期的光通信

• 原始形式的光通信 : 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。

• 1880 年，美国人贝尔 (Bell) 发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。

1-1 1-1 光纤通信的发展史光纤通信的发展史1.1.1 探索时期的光通信

1880 光电话发送机

1880 光电话接收机

1-1 1-1 光纤通信的发展史光纤通信的发展史

1.1.1 探索时期的光通信 • 1960 年，美国人梅曼 (Maiman) 发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了 80 年的光通信进入一个崭新的阶段。

• 在这个时期，美国麻省理工学院利用 He - Ne 激光器和CO2 激光器进行了大气激光通信试验。

由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的

研究曾一度走入了低潮。

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

1966 年，英籍华裔学者高锟 (C.K.Kao) 和霍克哈姆 (C.A.Hockham) 发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用玻璃制成衰减为 20dB/K

m 的通信光导纤维（即光纤）光纤 (Optical Fiber) 进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。文章指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达 1000dB/Km 。

1970 年，美国康宁（ Corning ）公司首先研制成衰减为 20dB/Km 的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段。

1.1.2 现代光纤通信

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状光纤通信发明家高锟 ( 左 ) 1998 年在英国接受 IEE 授予的奖

章

1970 年，光纤研制取得了重大突破 •1970 年，美国康宁 (Corning) 公司研制成功损耗 20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 •1972 年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到 4 dB/km 。 •1973 年，美国贝尔 (Bell) 实验室的光纤损耗降低到 2.5dB/km 。 1974 年降低到 1.1dB/km 。 •1976 年，日本电报电话 (NTT) 公司将光纤损耗降低到 0.47 dB/km( 波长 1.2μm) 。 • 在以后的 10 年中，波长为 1.55μm 的光纤损耗： 1979 年是 0.20 dB/km ， 1984 年是 0.157 dB/km ， 1986 年是 0.154 dB/km ，接近了光纤最低损耗的理论极限。

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

• 1970 年，美国贝尔实验室、日本电气公司 (NEC) 和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷 (GaAlAs)双异质结半导体激光器 (短波长 ) 。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。

1970 I. HayashiSemiconductor Laser

1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

• 1973 年，半导体激光器寿命达到 7000小时。 • 1976 年，日本电报电话公司 (NTT) 研制成功发射波长

为 1.3 μm 的铟镓砷磷 (InGaAsP) 激光器。• 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达 10万小时。

• 1979 年美国电报电话 (AT&T) 公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为 1.55 μm 的连续振荡半导体激光器。

由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑，称为光纤通信元年

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

实用光纤通信系统的发展 • 1976 年，美国在亚特兰大 (Atlanta) 进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。 • 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为 34 Mb/s 的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为 100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 • 1983 年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 • 由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于 1988 年建成。 • 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于 1989 年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：

• 第一阶段 (1966~1976 年 ) ，从基础研究到商业应用的开发时期。

• 第二阶段 (1976~1986 年 ) ，以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。

• 第三阶段 (1986~1996 年 ) ，以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

1 ．光纤通信发展的里程碑 1960年，美国人梅曼 (Maiman) 发明了第一台红宝石激光器 1966年高锟博士发表的论文《用于光频的光纤表面波导》。 2 ．光纤通信发展的实质性突破 1970年美国康宁公司制造出当时世界上第一根超低损耗光纤。 3 ．光纤通信爆炸性的发展 （ 1）光纤损耗 1970 年： 20dB/km ； 1972 年： 4dB/km ； 1974 年： 1.1dB/km ； 1976 年： 0.5dB/km ； 1979 年： 0.2dB/km ； 1990 年： 0.14dB/km 。

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

（ 2）光器件 光发送器件： 砷化镓铝半导体激光器→异质结条形激光器→分布反馈式激光器（ DFB-LD ）和多量子阱（ MQW ）激光器。 光接收器件： Si-PIN →APD 。 （ 3）光纤通信系统 从小容量到大容量、从短距离到长距离、从 PDH →SDH → DWDM （密集波分复用）。在智能光网络（ ION ）、光分插复用器（ OADM ）、光交叉连接设备（ OXC ）等方面也取得巨大进展。

1-1 1-1 光纤通信的发展史和现状光纤通信的发展史和现状

1976 年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从 0.85 μm 发展到 1.31 μm 和 1.55 μm(短波长向长波长），传输速率从几十 Mb/s 发展到几十 Gb/s 。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。

在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。

1.1.3 国外光纤通信发展的现状内

全球海底光缆系统

中国国际海底光缆网络

台湾地震断网事件

因台湾地震受损的光缆示意图

第一章 光纤通信概述

1-1 光纤通信的发展史与现状 1-2 光纤通信系统的组成

1-3 光纤通信的特点

光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。

信息源

电发射机

光发射机

光接收机

电接收机

信息宿

基本光纤传输系统

光纤线路

接收 发射

电信号输入

光信号输出

光信号输入

电信号输出

1-2. 光纤通信系统组成和发展

发送器：发送器的核心是一个光源，其主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。可采用发光二极管 (LED) 或激光二极管 (LD) 作为光源。光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。接收器：光接收器的关键设备是光检测器，其主要功能就是把光信息信号转换回电信号 ( 光电流 ) 。当今光纤通信系统中的光检测器是个半导体光电二极管 (PD) 。

基本光纤传输系统的三个组成部分

11 、光发送机：、光发送机：进行电 /光转换，并把转换成的光脉冲信号码流最大限度地输入到光纤中进行传输。光源器件一般是 LED和 LD,DFB激光器。

组成框图：组成框图：

光 源光 源 调制器调制器 通道耦合器通道耦合器

电信号输入电信号输入

光输出光输出

驱动电路驱动电路

)(1

)(lg10)(

mw

mwpdBmp

结构参数：结构参数：发送功率，发送功率， dbmdbm 概念概念

光源光谱特性光源光谱特性：：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长

电信号对光的调制的实现方式 直接调制（大多数系统采用） 用电信号直接调制光源的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制（间接调制） 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 这两种调制速率一般可达 10～ 40Gb/s ，而光纤带宽至少为 20Tb/s ，要充分利用光纤带宽资源，需采用波分复用或者相干光通信。

1.3 光纤通信系统的基本组成

(a) 直接调制； (b) 间接调制 ( 外调制 )

激光源

驱动器

光纤

光信号输出电信号

输入

(a)

激光源 调制器

驱动和控制

电信号输入

光纤

光信号输出

(b)

1.3 光纤通信系统的基本组成

2. 2. 光纤线路 光纤线路 组成组成 : : 光纤、光纤接头和光纤连接器功能：功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变 (失真 ) 和衰减传输到光接收机性能性能：：由光纤的损耗和色散这两个传输特性参数决定 单模光纤配合半导体激光器适合大容量长距离光线传输系统 多模光纤配合半导体发光二极管适合小容量短距离系统。低损耗 “窗口”：低损耗 “窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗损耗随波长的增加而减小随波长的增加而减小，在 0.85 μm、 1.31 μm 和 1.55 μm 有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。 光源光源激光器的发射波长和光检测器光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。 目前在实验室条件下， 1.55 μm 的损耗已达到 0.154 dB/km ， 接近石英光纤损耗的理论极限。

1.3 光纤通信系统的基本组成

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

衰减

（d

B/k

m） 第一窗口

第二窗口

波长—— λ （ μm ）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图

6 5 4 3 2 1

0 。 40 。 2

第三窗口

C 波段1525~1565nm

1.57 1.62

L 波段

33 、光接收机、光接收机功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：

电子电路电子电路

光输入光输入 耦合器耦合器 光电检测器光电检测器 解调器解调器电信号输出电信号输出

结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为 BER≤10BER≤10-9-9 条件下，所要 条件下，所要 求的最小平均接收功率。求的最小平均接收功率。检测方式：检测方式：直接检测直接检测和和外差检测外差检测

1.3 光纤通信系统的基本组成

光检测器： 是光接收机的核心，要求响应度高、噪声低、响应速

度快 常用光检测器： PIN 光电二极管 (PIN-PD)

雪崩光电二极管 (APD)

由于半导体材料对不同波长有不同的响应度，在短波长一般用硅雪崩光电二极管，在长波长一般用锗光电二极管或者 PIN 光电二极管。

1.3 光纤通信系统的基本组成

光纤通信系统的发展

①第一代： 工作波长为 0.85μm 多模光纤光通信系统（ 1980- ）；② 第二代：工作波长为 1.3μm 多模光纤和单模

光纤光通信系统 (1983-)；③ 第三代：工作波长为 1.55μm单模光纤单频激

光器光通信系统 (1991-)；④ 第四代：采用光放大器的光通信系统 (1995-) 。

光纤通信系统的发展趋势

由短波长向长波长发展。由多模光纤向单模光纤发展。由低速率向高速率发展。由准同步数字体制向同步数字体制发展。应用领域遍及传输网、交换网和接入网。

第一章 光纤通信概述

1-1 光纤通信的发展史与现状 1-2 光纤通信系统的组成和发展

1-3 光纤通信的特点

通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。

光通信的主要特点

载波频率高；频带宽度宽

光通信利用的传输媒质——光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。

1-3 光纤通信的特点

频带宽，通信容量大。 光纤可利用的带宽约为 50000GHz ， 1987年投入使用的 1.7Gb/s 光纤通信系统，一对光纤能同时传输 24192路电话， 2.4Gb/s 系统，能同时传输 30000 多路电话。频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网 (B-ISDN) 发展的需要。

损耗低，中继距离长。 目前实用石英光纤的损耗可低于 0.2dB/km ，比其它任何传输介质的损耗都低，若将来采用非石英系极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降至 10-9 dB/km 。由于光纤的损耗低，所以能实现中继距离长，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达 200 多千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别的意义。

现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：

1-3 光纤通信的特点

抗电磁干扰。 光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。

无串音干扰，保密性好。 光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱，若在光纤或光缆的表面涂上一层消光剂效果更好，这样，即使光缆内光纤总数很多，也可实现无串音干扰，在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。

1-3 光纤通信的特点

光纤线径细、重量轻、柔软。 光纤的芯径很细，约为 0.1mm ，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小， 8芯光缆的横截面直径约为 10mm ，而标准同轴电缆为 47mm 。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如 18管同轴电缆 1m 的重量为 11kg ，而同等容量的光缆 1m 重只有 90g 。

1-3 光纤通信的特点

光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料。 光纤的材料主要是石英 ( 二氧化硅 ) ，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量并不多，用光纤取代电缆，则可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。光纤除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点，其缺点是质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。近年来，光纤通信发展很快，它已深刻地改变了电信网的面貌，成为现代信息社会最坚实的基础，并向我们展现了无限美好的未来。

1-3 光纤通信的特点

光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作相对复杂；分路、耦合相对麻烦。

光纤通信也具有如下缺点：

光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。

光纤通信的各种应用可概括如下： ① 通信网

② 构成因特网的计算机局域网和广域网

③ 有线电视网的干线和分配网

④ 综合业务光纤接入网

光纤通信的应用